8 直流斩波电路(2)

第八章直流斩波电路第一节概述第二节电力晶体管斩波电路第三节晶闸管斩波电路本章小结第一节概述■将直流电变换成另一固定电压或可调电压的直流电对应电路称为直流斩波电路（DCChopper），又称直流-直流变换电路（DC/DCConverter），实现DC/DC变换。图8-2直流斩波器的工作原理ETtdtETUontoon01（8-1）■根据改变输出电压大小的方法可以分为脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）和混合调制三种。◆脉冲宽度调制：改变ton而保持通断周期T不变，称为脉冲宽度调制（PWM）。◆脉冲频率调制：保持ton不变而改变通断周期T，称为脉冲频率调制（PFM）。◆混合调制：对脉冲频率与宽度综合调制，即同时改变ton和T，称为混合调制。■根据输出电压与输入电压大小关系，可以分为降压型（Buck）、升压型（Boost）和升降压型三种基本类型。◆降压型：Uo≤E。◆升压型：Uo≥E。◆升降压型：Uo＜E、Uo＞E或Uo=E。第一节概述第二节电力晶体管斩波电路一、降压（Buck）型变换电路图8-3降压型变换电路◆电路构成☞使用一个全控型器件V，图中为GTR，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。☞电感L和电容C为输出端滤波电路，将脉冲波变成纹波较小的直流波。☞设置了续流二极管VD，在V关断时给负载中电感电流提供通道。☞阻性负载，主要用于电子电路的供电电源。◆波形分析☞ton期间:V导通,VD截止,电源E向负载供电，uA=E，负载电流iL按指数曲线上升。☞toff期间:V关断，VD导通续流，uA=0，负载电流呈指数曲线下降。第二节电力晶体管斩波电路一、降压（Buck）型变换电路◆基本数量关系☞电感L两端的电压为：☞电感L的电流iL，在稳态运行时，一个周期内的增量和减量相等，即：☞输出直流电压为：TttUttUEuonoonoL000TtLtLonondtLudtLu☞输出电流平均值为：（8-5）（8-4）（8-3）（8-2）EdETtUonoLooRUI其中d=ton/T称为占空比第二节电力晶体管斩波电路二、升压（Boost）型变换电路◆它由电力晶体管V，储能电感L，升压二极管VD和滤波电容C组成。◆波形分析☞ton期间:V导通,VD截止,uA=0，负载电流iL按指数曲线上升。☞toff期间:V关断，VD导通，uA=Uo，负载电流按指数曲线下降。图8-4升压型变换电路第二节电力晶体管斩波电路二、升压（Boost）型变换电路◆基本数量关系☞电感L两端的电压为：☞电感L的电流iL，在稳态运行时，一个周期内的增量和减量相等，即：☞输出直流电压为：00TtLtLonondtLudtLu☞输出电流平均值为：（8-7）（8-3）（8-6）LooRUITttUEttEuonoonL0EdEtTTUono11第二节电力晶体管斩波电路三、升降压型变换电路◆也称反极性变换器，它的Uo与E极性相反，输出电压既可低于、也可以高于输入电压。◆波形分析☞ton期间:V导通,VD截止,uA=E，负载电流iL按指数曲线上升。☞toff期间:V关断，VD导通，uA=-Uo，负载电流按指数曲线下降。图8-5升降压型变换电路第二节电力晶体管斩波电路三、升降压型变换电路◆基本数量关系☞电感L两端的电压为：☞电感L的电流iL，在稳态运行时，一个周期内的增量和减量相等，即：☞输出直流电压为：00TtLtLonondtLudtLu☞输出电流平均值为：（8-9）（8-3）（8-8）LooRUITttUttEuonoonL0EddEtTtUonono1第三节晶闸管斩波电路一、降压斩波电路◆电路构成☞使用晶闸管做主开关，需设置使晶闸管关断的辅助电路。CH为带有换相关断电路的主开关。☞电感L为平波电抗器和电枢电感等效电感。☞VD为续流二极管，在CH关断时给负载中电感电流提供通道。☞直流电动机负载，Em为直流电动机反电势，R为电枢电阻。广泛应用于电车、地铁、矿山、搬运车等电气机车上所用直流电动机的牵引传动。◆工作原理☞电流连续工作状态（电感L足够大，图8-6b）第三节晶闸管斩波电路一、降压斩波电路√ton期间:CH导通,VD截止，uo=E，负载电流io按指数曲线上升。√toff期间:CH关断，VD续流，uo=0，负载电流呈指数曲线下降。√负载端直流输出电压和电流的平均值：EdETtUonoREdEREUImmoo（8-10）（8-11）√负载电流的最小值Iomin和最大值Iomax：REREeeeImTTtooff1minREREeeImTtoon11max（8-16）（8-17）第三节晶闸管斩波电路一、降压斩波电路（8-21）☞电流断续工作状态（txtoff，图8-6c）√如果L值较小或开关周期T较大，当负载电流按指数规律下降到tx时，负载电流已衰减到零。√ton期间:CH导通,VD截止，uo=E，负载电流io按指数曲线上升。√toff期间:CH关断，VD导通续流，uo=0，负载电流呈指数曲线下降。√toff-tx期间：CH关断,VD截止，uo=Em，负载电流io=0。√负载端直流输出电压和电流的平均值：EEeEEtmtmxon/)/1(1ln（8-20）TEttTEtUmxonono)(RETtdEdREUImxmoo)(（8-22）第三节晶闸管斩波电路二、升压斩波电路◆升压斩波电路多用于直流电动机再生制动时把电能反送到直流电源的电路中。和降压斩波电路一样，升压斩波电路也有电动机电枢电流连续和断续两种状态。◆工作原理☞电流连续工作状态（电感L足够大，图8-7b）√ton期间:CH导通,VD截止，uo=0，负载电流io按指数曲线上升。√toff期间:CH关断，VD续流，uo=E，负载电流呈指数曲线下降。第三节晶闸管斩波电路二、升压斩波电路√负载端直流输出电压和电流的平均值：（8-23）（8-24）EdETtUoffo)1(REdERUEImomo)1(√负载电流的最小值Iomin和最大值Iomax：REeeREITtmooff11minREeeeREITTtmoon1max（8-29）（8-30）第三节晶闸管斩波电路二、升压斩波电路（8-32）☞电流断续工作状态（txtoff，图8-7c）√如果L值较小或开关周期T较大，当负载电流按指数规律下降到tx时，负载电流已衰减到零。√ton期间:CH导通,VD截止，uo=0，负载电流io按指数曲线上升。√toff期间:CH关断，VD导通续流，uo=E，负载电流呈指数曲线下降。√toff-tx期间：CH关断,VD截止，uo=Em，负载电流io=0。√负载端直流输出电压和电流的平均值：（8-31）（8-33）EEeEEtmtmxon11lnTEttTEtUmxonxo)(RETtETtdRUEIxmxomo)(第三节晶闸管斩波电路三、复合斩波电路◆斩波电路用于拖动直流电动机时，常常需要使电动机正转和反转，电动运行和再生制动运行。把电枢电压和电流的正负用四象限来表示，如图8-8所示。◆降压式斩波电路工作在第一象限，负载平均电压Uo和电流Io都是正的，功率流向是从电源到负载，直流电动机处于电动运行状态。◆升压式斩波电路工作在第二象限，负载平均电压Uo为正，但电流Io为负，故功率流向是从负载到电源，直流电动机处于再生制动状态。第三节晶闸管斩波电路三、复合斩波电路◆电流可逆斩波电路（图8-9）☞电路结构（图8-9a）√降压斩波电路与升压斩波电路组合，电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第一象限和第二象限（电压为正时）。√CH1和VD1构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第一象限。√CH2和VD2构成升压斩波电路，电动机作再生制动运行，工作于第二象限。√必须防止CH1和CH2同时导通而导致电源短路。☞工作过程√两种工作情况：只作降压斩波运行和只作升压斩波运行。（图8-9b、c）√第3种工作方式：一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。（图8-9d）√第3种工作方式下，当一种斩波电路电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。√一个周期内，电流不断，响应很快。第三节晶闸管斩波电路三、复合斩波电路▲第三节晶闸管斩波电路三、复合斩波电路◆桥式可逆斩波电路（图8-10）☞将两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压，使电动机可以4象限运行。☞工作过程√如CH1、CH2交替通断，而CH4常通、CH3常断，则Uo为正，电动机正转；而CH3常通、CH4常断，则Uo为负，电动机反转。在这种控制方式下，电动机向一个方向旋转，斩波器输出为某一极性电压，称为单极性式。√将四只斩波部件分为CH1、CH4和CH2、CH3两组，同组两只管子同时导通和关断，而两组斩波部件交替工作，则在一个周期内，Uo正负相间，这种控制方式称为双极性式。第三节晶闸管斩波电路四、晶闸管换流电路▲本章小结■直流斩波电路实现了DC-DC变换，广泛应用于电气车辆、蓄电池充电和开关电源等设备。直流斩波电路类型很多，最基本有降压型和升压型两种。为保持斩波器的输出电压稳定，通常采用占空比控制技术。改变占空比的方法有脉宽调制（PWM）、脉频调制（PFM）和混合调制三种，其中PWM是最常用的一种。■主讲了由电力晶体管构成的降压型、升压型和升降压型直流-直流变换电路，主要用于开关电源等。■主讲了由晶闸管构成的降压型、升压型和复合型斩波电路，主要用于控制直流电动机。降压型斩波器工作在第一象限，带电动机电动运行，升压型斩波电路工作在第二象限，带电动机发电制动运行。将这两种斩波器组合起来就构成多象限斩波电路，实现多象限运行。如电流可逆斩波器可工作在第一、第二两象限，桥式可逆斩波器可工作在四个象限。